Nghiên cứu tái chế bùn đỏ thành chất keo tụ đa thành phần dùng cho xử lý nước thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Nguyễn Nam Giang NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ BÙN ĐỎ THÀNH CHẤT KEO TỤ ĐA THÀNH PHẦN DÙNG CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI Chuyên ngành: Kỹ thu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

Nguyễn Nam Giang

NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ BÙN ĐỎ THÀNH CHẤT KEO TỤ ĐA

THÀNH PHẦN DÙNG CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Nam Giang

NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ BÙN ĐỎ THÀNH CHẤT KEO TỤ ĐA

THÀNH PHẦN DÙNG CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Thị Hồng

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1.2 Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới và tại Việt Nam 4 1.1.3 Công nghệ sản xuất alumin 7

1.2.1 Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý 9 1.2.2 Phương hướng xử lý bùn đỏ 11 1.2.3 Ứng dụng bùn đỏ trong công nghệ môi trường 16

1.3.3 Cơ chế của quá trình keo tụ 19 1.3.4 Các phương pháp keo tụ 23 1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ 26 1.4 Giới thiệu về các loại nước thải 27 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.2 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị 29

2.3 Các phương pháp nghiên cứu 30 2.3.1 Phương pháp xác định đặc tính hóa lý bùn đỏ 30 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai 35 2.3.3 Phương pháp xác định khả năng keo tụ của BĐ Al – Fe 40 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Kết quả nghiên cứu bùn đỏ Tân Rai 44 3.1.1 Kết quả phân tích cấu trúc pha bùn đỏ Tân Rai 44 3.1.2 Kết quả phân tích hình thái cấu trúc, diện tích bề mặt bùn đỏ 45 3.1.3 Kết quả phân tích thành phần hóa học bùn đỏ Tân Rai 46 3.2 Kết quả nghiên cứu quá trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ Tân

3.2.1 Kết quả nghiên cứu quá trình hòa tách bùn đỏ 47 3.2.2 Quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ Tân Rai 55 3.2.3 Kết quả phân tích thành phần chất keo tụ BĐ Al - Fe 56 3.3 Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ từ chất keo tụ BĐ Al – Fe 56 3.3.1 Kết quả nghiên cứu xác định giá trị pH tối ưu của chất keo tụ BĐ Al – Fe 56 3.3.2 Kết quả nghiên cứu xác định liều lượng tối ưu của chất keo tụ BĐ Al - Fe 57 3.3.3 Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ trong xử lí nước thải, so sánh với PAC,

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Sự phân bố trữ lượng bauxit trên các châu lục 4

Bảng 1.2 Trữ lượng bauxite và sản lượng khai thác trên thế giới 5

Bảng 1.3 Thành phần hóa học bùn đỏ 10

Bảng 1.4 Tỷ lệ cấp hạt của bùn đỏ 10

Bảng 2.1 Liều lượng các chất keo tụ sử dụng để keo tụ 43

Bảng 3.1 Kết quả đo BET mẫu bùn đỏ Tân Rai 46

Bảng 3.2 Thành phần bùn đỏ Tân Rai 46

Bảng 3.3 Kết quả ảnh hưởng của nồng độ axit đến quá trình hòa tách bùn đỏ 47

Bảng 3.4 Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tách bùn đỏ 49

Bảng 3.5 Kết quả ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình hòa tách bùn đỏ 50

Bảng 3.6 Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến quá trình hòa tách bùn đỏ 52

Bảng 3.7 Kết quả ảnh hưởng của thời gian hòa tách đến quá trình hòa tách bùn đỏ 53

Bảng 3.8 Thành phần chất keo tụ BĐ Al – Fe 56

Bảng 3.9 Thành phần nước thải trước và sau keo tụ ở các pH khác nhau 56

Bảng 3.10 Thành phần nước trước và sau keo tụ sử dụng liều lượng keo tụ khác nhau ở pH = 7 57

Bảng 3.11 Trạng thái cân bằng của sự thủy phân các ion Al3+ và Fe3+ ở các bậc khác nhau 58

Bảng 3.12 Thành phần nước trước và sau khi sử dụng các chất keo tụ khác nhau 60

Bảng 3.13 Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- của một số chất keo tụ 60

Bảng 3.14 Thành phần nước trước và sau khi sử dụng các chất keo tụ khác nhau 61

Bảng 3.15 Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- 62

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý công nghệ Bayer sản xuất Alumin 7

Hình 1.2 Cấu tạo hạt keo 20

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị SEM 33

Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bùn đỏ Tân Rai 44

Hình 3.2 Ảnh chụp SEM mẫu bùn đỏ Tân Rai 45

Hình 3.3 Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào nồng độ axit 47

Hình 3.4 Sự phụ thuộc hiệu suất chuyển hóa vào nhiệt độ 49

Hình 3.5 Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào tốc độ khuấy 51

Hình 3.6 Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào tỷ lệ lỏng/rắn 52

Hình 3.7 Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào thời gian hòa tách 54

Hình 3.8 Sơ đồ quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ 55

Hình 3.9 Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- 61

Hình 3.10 Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- 62

Hình PL 1 Phần bã sau quá trình hòa tách 70

Hình PL 2 Quá trình làm thực nghiệm 70

Hình PL 3 Chất keo tụ BĐ Al – Fe sau khi được lọc 70

Hình PL 4 Mẫu nước thải trước và sau khi cho chất keo tụ 71

MỞ ĐẦU

Trên thế giới, nhôm là một trong bốn kim loại màu cơ bản được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp quan trọng như: chế tạo thiết bị điện, phương tiện vận tải, xây dựng, chế tạo máy, vũ khí, vật liệu bao gói và sản xuất đồ gia dụng Tổng lượng tiêu thụ nhôm nguyên sinh trên thế giới năm 2007 đạt 38 triệu tấn và dự báo đạt 74,9 triệu tấn vào năm 2020 Theo đánh giá của AOA VAMI RUSAL (Nga), sản lượng nhôm oxit năm 2020 là 148.7 triệu tấn tăng 73 triệu tấn so với năm

2007 Sự tăng trưởng mạnh mẽ sản lượng alumin đạt được là do nhu cầu về nhôm tăng mạnh, đặc biệt là từ nhu cầu của Trung Quốc và các quốc gia thuộc Mỹ La tinh

Bauxit là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên Trái đất Quặng bauxit của Việt Nam được đánh giá là có trữ lượng lớn thứ ba trên thế giới với khoảng 5,4 tỷ tấn [10] So với các mỏ bauxit trên thế giới, mỏ bauxit ở Việt Nam được đánh giá có chất lượng trung bình Quặng bauxit nước ta phân bố cả ở khu vực phía Bắc và phía Nam, trong đó tập trung nhiều ở vùng Tây Nguyên (chiếm 91,4%) Với chủ trương khai thác nguồn tài nguyên này để phục vụ phát triển kinh tế của đất nước, từ những năm 1970, Chính phủ đã cho triển khai dự án sản xuất nhôm từ mỏ bauxit Ma Mèo, nhà máy sản xuất hydroxyt nhôm tại Công ty Hóa chất Cơ bản miền Nam đã hình thành Một số dự án lớn sản xuất alumin và hydroxyt nhôm bao gồm: Nhà máy hóa chất Tân Bình sản xuất hydroxyt nhôm ở TPHCM, nhà máy alumin Tân Rai (tỉnh Lâm Đồng), nhà máy alumin Nhân Cơ (tỉnh Đăk Nông)

Từ bauxit có thể thu hồi alumin (Al2O3) rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi nhôm kim loại Hơn 90% sản lượng alumin được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử dụng trong công nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệp khác Công nghệ sản xuất alumin từ quặng bauxit bằng phương pháp Bayer tạo ra một lượng chất thải rất lớn gọi là bùn

đỏ Bùn đỏ bao gồm các thành phần không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều

2

kiện phong hóa như hematit, natrisilicat, aluminate, canxi - titanat, mono - hydrat nhôm… và đặc biệt là có chứa một lượng xút, một hóa chất độc hại dư thừa từ quá trình sản xuất alumin nên độ kiềm cao (pH = 10 – 13), khó đóng rắn và lẫn nhiều tạp chất nên dễ phát tán gây ô nhiễm môi trường Cho đến nay, trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ nhưng vẫn chưa có giải pháp hữu hiệu giải quyết vấn đề này Do đó, việc nghiên cứu sử dụng, xử lý bùn đỏ là rất cần thiết

Thành phần của bùn đỏ là các oxit của sắt, của nhôm, silic, titan, kim loại kiềm Với hàm lượng chủ yếu là oxit sắt, oxit nhôm, bùn đỏ có thể sử dụng như một chất keo tụ Quá trình keo tụ đi kèm với việc hình thành bông hidroxit nhôm và sắt có khả năng hấp phụ nhiều tạp chất như: photphat, As (V), cromat, , một số loại chất hữu cơ Bên cạnh đó, trong bùn đỏ còn có một số kim loại khác như: titan, canxi, có thể có một số tác dụng trong quá trình keo tụ và làm sạch nước

Vì những lí do trên, đề tài: “Nghiên cứu tái chế bùn đỏ thành chất keo tụ đa thành phần dùng cho xử lý nước thải” vừa hết sức cần thiết lại có tính ứng dụng

trong việc xử lý các vấn đề môi trường

Mục tiêu nghiên cứu

 Nghiên cứu điều kiện tối ưu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai

 Nghiên cứu khả năng ứng dụng chất keo tụ và xử lý độ đục, COD và PO4

3-Nội dung nghiên cứu

 Nghiên cứu đặc tính hóa lý của bùn đỏ

 Nghiên cứu quy trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ

 Thử nghiệm ứng dụng chất keo tụ trong xử lý nước thải

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu về bauxit

1.1.1 Bauxit

Bauxit là loại quặng nhôm phổ biến nhất được tìm thấy trong lớp vỏ của trái đất, có màu hồng nâu, được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn Từ bauxit có thể tách ra alumin (Al2O3) – nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân Khoảng 95% lượng bauxit được khai thác trên thế giới đều được dùng để luyện nhôm Bauxit không những là quặng nhôm quan trọng cho ngành công nghiệp sản xuất nhôm và các hợp chất của nhôm, mà còn dùng để sản xuất corundum nhân tạo, xi măng alumin, gạch chịu lửa…

Quá trình phong hóa hình thành quặng bauxit trên các loại đá thường trải qua các giai đoạn như sau:

- Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra oxit nhôm và sắt

- Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm

- Xói mòn và tái tích tụ bauxit

Quá trình này chịu ảnh hưởng của một số yếu tố:

- Đá mẹ chứa các khoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt

- Ở nơi có lượng mưa cao xen kẽ các đợt khô hạn ngắn

- Hệ thống thoát nước tốt

- Khí hậu nhiệt đới ẩm

- Có mặt lớp phủ thực vật với vi khuẩn

Các khoáng vật của nhôm có trong quặng tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa trong nó và cấu trúc tinh thế gồm: Gibbsite Al(OH)3, Diaspore

α-65

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng việt

1 Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập hóa lý - Điều chế các hệ keo và khảo

sát một số tính chất của chúng, NXB Đại học quốc gia Hà Nội

2 Nguyễn Bin (2008), Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 4 - NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

3 Phạm Đăng Địch, PGS TS Lê Xuân Khuông, TS Lê Gia Mô, KS Dương Thanh

Sủng (3/2003), Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu công nghệ tiên tiến sản xuất alumin từ quặng tinh bôxit Tân Rai - Lâm Đồng và điện phân nhôm

đạt chất lượng thương phẩm

4 Lưu Đức Hải (2014), Báo cáo đề tài: Nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu xây dựng từ bùn đỏ phát sinh trong công nghệ sản xuất alumin ở Tây Nguyên, Đại

học quốc gia Hà Nội

5 Nguyễn Quốc Khánh (2009), “Phục hồi môi trường sau khai thác quặng bauxit

và chế biến alumin”, Tạp chí Công nghệ mỏ, Số 5, tr 46 – 48

6 Đỗ Quang Minh (2009), “Xi măng từ bùn đỏ”, Tạp chí Vật liệu xây dựng Việt

Nam, Tập 1, số 25, tr 40 – 44

7 Nguyễn Trung Minh (2011), “Hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ bauxit Bảo Lộc và

định hướng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải”, Tạp chí Các khoa học về

trái đất, Số 33(2), tr 231 - 237

8 Nguyễn Cảnh Nhã (2007), “Một số kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng

bauxit”, Tạp chí Công nghệ Mỏ, Số 5, tr 18 -21

9 Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2009), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải,

NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

10 Quy hoach phân vùng thăm dò , khai thác, chế biến sử dung quăng bauxit giai đoan ̣ 2007-2015 có xét đến năm 2025 (2007), Quyết đinh phê duyêṭ của Thủ

tướng chính phủ số 167/2007/QĐ-TTg

11 Nguyễn Thị Thu Thủy (2006), Xử lý nước cấp sinh hoạt và công nghiệp, NXB

Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

12 Nguyễn Văn Tiến, Lê Thị Mai Hương, Nguyễn Bích Thủy (2014), “Nghiên cứu khả năng chế tạo chất keo tụ và chất hấp phụ từ bùn đỏ Tây Nguyên theo quy

trình khép kín và đánh giá khả năng ứng dụng của sản phẩm”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 52 (2B), tr 99 – 105

13 Nguyễn Khắc Vinh (2009), “Tài nguyên Bauxit trên Thế giới và Việt Nam”,

Tạp chí tài nguyên và môi trường, số 7, tr 49 – 51

14 Pham Gia Vu, Trinh Anh Trúc, Tô Thị Xuân Hằng, Nguyễn Thị Dương,

Nguyễn Vũ Giang (2012), “Nghiên cứu sử dụng bùn đỏ như bột màu trong sơn

bảo vệ chống ăn mòn”, Tạp chí Hóa học, T.50(6), tr 717 – 720

Tiếng Anh

15 A H Bhat, A K Banthia (2007), “Preparation and characterization of poly

(vinyl alcohol) - modified red mud composite materials”, Joumal of Applied

Polymer Science, 103(1), pp 238 – 243

16 A H Bhat, H r S Abdul Khalil, Irshad-ul-Haq Bhal, A K Banthia (2011),

“Development and Characterization of Novel Modified Red Mud

Nanocomposiles Based on Polyfhydroxy ether of Bisphenol A”, Joumal of

Applied Polymer Science, 119, pp 515 – 522

17 United Nations Industrial Development Organization (1991), Alumina Industry: Conference on Ecologically Sustainable Industrial Development, Copenhagen,

Denmark

67

18 Batra V S., Urbonaite S., Svensson G (2008), “Characterization of unburned

carbon in bagasse fly ash”, Fuel 87, pp 2972 – 2976

19 Brunori C., Cremisini C., Massanisso P., Pinto V., Torricelli L (2005), “Reuse

of a treated red mud bauxite waste: studies on environmental compatibility”,

Journal of Hazardous Materials, pp 55 – 63

20 Cablik V (2007), “Characterization and applications of red mud from bauxite

processin”, Gospodarka surowcami mineralnymi, 23 (4), pp 27 – 38

21 C Klauber, M Gräfe, G Power (2011), Bauxite residue issues: II options for residue utilization, Hydrometallurgy, 108, pp 11 – 32

22 Fan, H.L., Li, C.H., Xie, K.C., (2005), “Testing of iron oxide sorbent for

high-temperature coal gas desulfurization”, Energy Sour, 27, pp 245 – 250

23 J Bratby (2006), Coagulation and Flocculation in Water and Wastewater

Treatment, 2nd Edition, IWA Publisher, London

24 Jia-Qian Jiang, Nigel J D Graham (1998), “Pre-polymerised inorganic

coagulants and phosphorus removal by coagulation - A review”, Environmental

and Water Resource Engineering, Vol 24, No 3, pp 237 – 244

25 Jorge Alvarez, Roberto Rosal, Herminio Sastre, Fernando V Diez (1995),

Characterization and deactivation of sulfided red mud used as hydrogenation

catalyst, Derpartment of Chemical Engineering, University of Oviedo, Spain

26 Jones, G., Joshi, G., Clark, M., McConchie, D (2006), “Carbon capture and the

aluminum industry: preliminary studies” Environ Chem 3, pp 297 – 303

27 K Snars, R.J Gilkes (2009), “Evaluation of bauxite residues (red muds) of

defferent origins for environmental applications”, J Applied Clay Science, pp

13 – 20

28 Maneesh Singh, S.N.Upadhayay, P.M.Prasad (1997), “Preparation of iron rich

cements using red mud”, Cement and Concrete Research, Vol.27, No.7,

pp.1037 -1046

29 Menzies N W., Fulton I M., Morrell W J (2004), “Seawater Neutralization of

Alkaline Bauxite Residue and Implications for Revegetation”, J Environ Qual,

33, pp 1877 – 1884

30 Paramguru, R.; Rath, P.; Misra, V.(2005), “Trends in red mud utilization - A

review”, Min Process Extract Metall Rev, 26(1), pp 1 – 29

31 American Water Works Association (2003), Principal and Practices of Water Supply Operations, Water Treatment, Third Edition, Science and Technology,

USA

32 R.Hind, S.K.Bhargava, Stephen C Grocott (1999), “The surface chemistry of

Bayer process solids: a review”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and

Engineering Aspects, 146, pp 359 – 374

33 Shaobin Wang, HM.Ang, MO.Tadé (2008), “Novel application of red mud as coagulant, adsorbent and catalyst of environmentally benign processes”,

Chemosphere, 72, pp 1621 – 1635

34 Thakur, R S.; Sant, B R (1983), “Utilization of red mud, recovery of alkali,

iron, aluminum, titanium, and other constituents and the pollution problems”, J

Sci.Industr Res, 42

35 Wanchao Liu, Jiakuan Yang , Bo Xiao (2009), “Review on treatment and

utilization of bauxite residues in China”, International Journal of Mineral

Processing, 93, pp 220 – 231

36 Wang, X.F., Lin, H.Y., Yang, Y.F., Ma, Y.W (2007), “Preparation of burned

brick by red mud of Bayer process”, New Building Materials, 34 (7), pp 24 –

26